JP2700181B2

JP2700181B2 - シールド機の姿勢制御方法

Info

Publication number: JP2700181B2
Application number: JP1081250A
Authority: JP
Inventors: 徹後藤; 幸彦松浦; 洋二東; 昭栄池田; 俊一酒井; 利光阿曽
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1998-01-19
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JPH02261192A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、地中を掘進するシールド機の推進手段た
るシールドジャッキのストローク量を制御することでシ
ールド機の姿勢を制御する方法に係り、特に、自動運転
への適用を可能にするシールド機の姿勢制御方法に関す
るものである。

「従来の技術」現在、シールド機の姿勢制御は、その周方向に間隔を
おいて複数本配置された推進手段たるシールドジャッキ
のストローク量を各シールドジャッキで異ならせるよう
に操作員が指令することで行われている。しかし、近
年、24時間体制での掘削を効率良く行うために、シール
ド機の無人運転システムが種々提案、検討されている。

従来提案されている無人運転システムとしては、例え
ばシールド機の変位と使用するシールドジャッキで得ら
れる偏心力との相関を示すデータを多数蓄積し、各セグ
メントリング毎における目標変位量に見合ったシールド
ジャッキの偏心力を算出して、これを得るためのジャッ
キパターンを選択するようなシステムがある。あるい
は、前記シールド機の変位の代わりに、シールドジャッ
キのストローク量やピッチング量を使用するシステムも
ある。

「発明が解決しようとする課題」しかし、前記従来の無人運転システムのいずれも、デ
ータ間の相関を求める必要があるため、実用に足る相関
を得るためには多数のデータを蓄積する必要があり、か
つ、土質等施工条件が異なれば相関も異なることもあ
り、これらが実用化における解決すべき課題として残さ
れていた。また、同一のシールドジャッキの偏心力等を
実現しうるジャッキパターンは多数存在し、いずれを選
択するか判断し難いこともあり、同様に解決すべき課題
として残されていた。

この発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、現
場の掘削状況に応じてシールド機の姿勢制御が可能であ
り、かつ、制御方法が簡易かつ確実なシールド機の姿勢
制御方法の提供を問題にしている。

「課題を解決するための手段」そこでこの発明は、地中を掘進するシールド機の推進
手段たるシールドジャッキのストローク量を制御するこ
とでシールド機の姿勢を制御する際に、シールド機の一
地点から目標地点へと向かうシールド機の目標線を算出
し、これに基づいて所定距離シールド機を掘進させた場
合のシールドジャッキの目標最終ストローク差及びシー
ルド機のピッチング量を演算した後、前リング掘進時の
最終状態と同じシールドジャッキを使用して掘進を開始
し、シールド機が所定量進む毎にストローク差及びピッ
チング量を検出して、この検出されたストローク差及び
ピッチング量から前記所定距離掘進後の最終ストローク
差及びピッチング量を演算予測し、予測最終ストローク
差及びピッチング量と目標最終ストローク差及びピッチ
ング量の差が許容範囲以上のときはシールドジャッキの
使用箇所の変更を行い、これによりシールド機が所定距
離掘進した際に目標最終ストローク差及びピッチング量
を確保させるように制御することでシールド機を目標線
通りに進めることで前記課題を解決せんとしている。

「実施例」以下、この発明であるシールド機の姿勢制御方法の実
施例について図面を参照して説明する。

まず、この発明の一実施例が適用されるシールド機及
びその姿勢制御装置について第１図を参照して説明すれ
ば、図中符号１は円筒状の外殻（スキンプレート）２を
有するシールド機であり、このシールド機１は、スキン
プレート２前部に設けられたカッタ装置３で地山を掘削
しつつ、内部後方において円筒分割覆工体たるセグメン
ト４、…を組み立て、さらに組み立てられたセグメント
４、…前端に反力を取って、スキンプレート２の周方向
に所定間隔をおいて配置されたシールドジャッキ５、…
を伸長させることでシールド機１全体を前進させ、これ
を繰り返すことでシールド機１後方にトンネル（図示
略）を形成している。

また、符号６はシールド機制御装置であり、このシー
ルド機制御装置には、シールド機１内に設置されたジャ
ッキストローク測定センサ、テールクリアランス測定セ
ンサ、ピッチング・ローリング測定センサ（いずれも図
示略）からの信号が入力される。また、このシールド機
制御装置６は、後述する演算装置からの制御信号、又は
制御装置６に付設された操作盤からの入力信号により、
シールド機１のカッタ装置３、シールドジャッキ５、…
等の制御信号を送出する。また、これら入出力信号はデ
ータ収録器７に収録される。

さらに、符号８全体で示すものは演算装置であり、こ
の演算装置８には、前記制御装置６から各センサの出力
信号が入力されると共に、制御装置６に向けて制御信号
が送出される。また、この演算装置８には、追従コント
ローラ９を介して測距・測角装置10が付設されている。
この測距・測角装置10は、シールド機１後方のトンネル
内に設置され、シールド機１に設置されたレーザー受光
盤11に対してレーザー光を送出することで、これらの間
の距離及び角度を測定するものである。そして、測距・
測角装置10は、前記演算装置８に向けて測定データを送
出し、一方演算装置８は、測距・測角装置10に向けてシ
ールド機１の位置に応じてこの装置10を追従させるべく
制御信号を送出する。そして、演算装置８は、これら入
力信号に基づいてシールド機１の姿勢及び位置を算出
し、さらに計画路線に対するずれを算出してこれを解消
するようにシールド機１の姿勢を制御する。

次に、第１図ないし第５図を参照して、この発明の一
実施例であるシールド機１の姿勢制御方法について説明
する。

（ｉ）目標姿勢算出シールド機１の推進を開始するにあたって（第５図中
ステップSP1）、シールド機１の現在地点において、シ
ールドジャッキ５、…のストローク量やローリング・ピ
ッチング量、及び測距・測角データを得ることで、シー
ルド機１の現姿勢及び計画路線からの現在地点のずれを
演算装置８により算出する（ステップSP2）。

次に、現在位置から所定距離離間した目標地点に対し
て、所定距離だけシールド機１を推進させた状態でシー
ルド機１が目標地点に至るような目標線を演算装置８に
より算出する（ステップSP3）。この目標地点の設定は
任意の地点で良く、掘進中に変更もありうる。

例えば、第２図（ａ）に示すように、シールド機１の
現在地点20及び目標地点21が共に計画路線22の直線区間
にあるときは、現在地点と目標地点とを結ぶ直線を目標
線23とすれば良く、また、第２図（ｂ）、（ｃ）に示す
ように、現在地点20が計画路線22の直線区間にあって目
標地点21が曲線区間にあるときは、計画路線22の曲線区
間では目標地点21に内接又は外接する円弧を、また、計
画路線22の直線区間では前記円弧に連続する直線を目標
線23とすればよい。また、第３図に示すように、シール
ド機１の現在地点20が計画路線22の曲線区間にあるとき
でも、前述の手法と同様にして目標線23を決定すること
ができる。

このようにして、目標線23が決定できれば、１セグメ
ントリング推進した段階におけるシールド機１の姿勢を
決定することができ、現在の姿勢と１セグメントリング
推進後の姿勢とを比較することにより、目標とする目標
最終ストローク差及びピッチング量を算出することがで
きる。この目標最終ストローク差及びピッチング量は、
演算装置８内の表示装置により表示される（ステップSP
3）。

（ii）シールド機による掘進シールド機１を地中で推進させる場合、急激にその推
進方向を変換させることは困難であり、また急激に方向
変換しないのが通常である。従って、１つのセグメント
リング分の推進中に作動・停止の変更が行われるシール
ドジャッキ５、…の本数は２〜３本以内であることが普
通である。

そこで、推進当初は、それまで使用していたシールド
ジャッキ５、…をそのまま使用して、シールド機１によ
る推進を行う（ステップSP4）。また、推進中は、シー
ルド機１が所定距離推進する毎に（ステップSP5）前記
各センサによる測定を行い、シールド機１の現在位置を
演算装置８で算出してこれを表示装置により表示する
（ステップSP6）。この所定距離は、演算装置８への指
令により任意値に設定することができる。

次に、１セグメントリングの推進中において予め設定
された計測地点にシールド機１が至った段階で（ステッ
プSP7）、シールド機１のストローク差を測定する。シ
ールド機１が計測地点に至ったか否かは、シールドジャ
ッキ５、…のストローク量で判断する。そして、この計
測地点におけるシールド機１のストローク差から、この
ストローク差のままシールド機１の推進を継続した場合
に、１リング推進後のストローク差が前記目標最終スト
ローク差になるかどうかを演算装置８により算出し（ス
テップSP8）、これを目標最終ストローク差に近似する
ようにシールド機１のシールドジャッキ５のストローク
量を変更する（ステップSP9、ステップSP10）。なお、
この計測地点も、演算装置８の指令により任意の地点に
設定することができる。

例えば、シールド機１の姿勢を、シールド機１を左右
に２分割した際のシールドジャッキ５、…のストローク
差、及びシールド機１全体のピッチング量で表す場合、
目標ストローク差が＋50mm、すなわちシールド機１が右
勝ちで、目標ピッチングが＋10‰、すなわちシールド機
１が上向きであるときの制御方法について説明する。こ
の場合、シールド機１推進当初のストローク差を＋10m
m、ピッチングを＋２‰、１セグメントリング推進終了
時のストロークを900mmとし、さらに計測地点を300mmス
トローク毎に設定する。

最初の計測地点、すなわちシールドジャッキ５、…の
ストローク量が300mmに至った時、ストローク差が＋20m
m、ピッチングが＋２‰であったとする。この状態で推
進を継続した場合の最終ストローク差の予測値Ｓは、同様に最終ピッチングの予測値Ｐは、となる。従って、シールド機１を目標地点21にまで到達
させるには、シールド機１の姿勢を右勝ちに、かつ上向
きにする必要がある。そこで、第４図に示すように、シ
ールド機１の軸線に直交するＸ軸、Ｙ軸を用いてその周
方向に４分割して、第４図に示すの区分、すなわちシ
ールド機１の右下に位置するシールドジャッキ５、…の
作動を開始させる。あるいは、の区分に作動を停止し
ているシールドジャッキ５、…がなければ、の区分、
すなわちシールド機１の左上に位置するシールドジャッ
キ５、…の作動を停止させる。逆に、予測値Ｓ、Ｐがそ
れぞれ目標値に対して許容範囲内にあれば、シールドジ
ャッキ５、…の変更は行わない。

また、シールド機１が次の計画地点、すなわちシール
ドジャッキ５、…のストローク量が600mmに至った時、
ストローク差が＋50mm、ピッチングが＋８‰であったと
する。この状態で推進を継続した場合の最終ストローク
差の予測値Ｓは同様に最終ピッチングの予測値Ｐは、となる。従って、シールド機１を目標地点21にまで到達
させるには、シールド機１の姿勢を左勝ちに、かつ下向
きにする必要がある。そこで、第４図に示すの区分、
すなわちシールド機１の左上に位置するシールドジャッ
キ５、…の作動を開始させる。あるいは、の区分に作
動を停止しているシールドジャッキ５、…がなければ、
の区分、すなわちシールド機１の右下に位置するシー
ルドジャッキ５、…の作動を停止させる。

なお、このようなシールドジャッキ５、…の作動又は
その停止の指令は、前述の如く演算装置８から行われ、
制御装置６は演算装置８からの指令に基づいてシールド
ジャッキ５、…の制御を行うべくこれらシールドジャッ
キ５、…に制御信号を送出する。

そして、１セグメントリングの推進が終了した段階で
（ステップSP11）、使用したシールドジャッキ５、…の
本数及び位置、実測ストローク差、実測ピッチング量、
シールド機１の変位のデータを収録器７に登録し（ステ
ップSP12）、推進を終了する（ステップSP13）。

以上の工程を繰り返すことで、シールド機１を目標地
点21へと推進させることができる。ここで、この実施例
では、前記従来の如くデータ間の相関を算出せず、実測
値に基づいて直接的にシールドジャッキ５、…の作動・
停止等を決定しているので、多量のデータ蓄積を必要と
せず、土質の変化等施工条件の変化によらず確実なシー
ルド機１の姿勢制御が行える。また、推進当初に現在地
点20でのジャッキパターンを使用し、計測地点において
これを修正するような姿勢制御を行っているので、前記
従来の如く同一の結果を得るためのジャッキパターンが
多数存在するような現象が起こらず、簡易な姿勢制御を
実現することができる。

なお、この発明のシールド機の姿勢制御方法は、その
細部が前記実施例に限定されず、種々の変形例が可能で
ある。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明によれば、地中
を掘進するシールド機の推進手段たるシールドジャッキ
のストローク量を制御することでシールド機の姿勢を制
御する際に、シールド機の一地点から目標地点へと向か
うシールド機の目標線を算出し、これに基づいて所定距
離シールド機を掘進させた場合のシールドジャッキの目
標最終ストローク差及びシールド機のピッチング量を演
算した後、前リング掘進時の最終状態と同じシールドジ
ャッキを使用して掘進を開始し、シールド機が所定量進
む毎にストローク差及びピッチング量を検出して、この
検出されたストローク差及びピッチング量から前記所定
距離掘進後の最終ストローク差及びピッチング量を演算
予測し、予測最終ストローク差及びピッチング量と目標
最終ストローク差及びピッチング量の差が許容範囲以上
のときはシールドジャッキの使用箇所の変更を行い、こ
れによりシールド機が所定距離掘進した際に目標最終ス
トローク差及びピッチング量を確保させるように制御す
ることでシールド機を目標線通りに進めているので、多
量のデータ蓄積を必要とせず、土質の変化等施工条件の
変化によらず確実なシールド機の姿勢制御が行える。ま
た、推進当初に前リング掘進時の最終状態と同じシール
ドジャッキを使用し、計測地点においてこれを修正する
ような姿勢制御を行っているので、従来の如く同一の結
果を得るためのジャッキパターンが多数存在するような
現象が起こらず、簡易な姿勢制御を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は、この発明の一実施例であるシー
ルド機の姿勢制御方法を説明するための図であって、第
１図はこの方法が適用されるシールド機の姿勢制御装置
の全体構成を示す概略図、第２図は現在地点から目標地
点までの目標線を決定する方法を説明するための図、第
３図は第２図と同様の図、第４図はシールド機のシール
ドジャッキの区分を示す概略側面図、第５図は前記方法
を説明するためのフローチャートである。１……シールド機、５……シールドジャッキ、６……シ
ールド機制御装置、８……演算装置、20……現在地点
（一地点）、21……目標地点、22……計画路線、23……
目標線。

フロントページの続き (72)発明者池田昭栄東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内 (72)発明者酒井俊一東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内 (72)発明者阿曽利光東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内 (56)参考文献特開昭61−266797（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−280195（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】地中を掘進するシールド機の推進手段たる
シールドジャッキのストローク量を制御することでシー
ルド機の姿勢を制御する方法であって、シールド機の一
地点から目標地点へと向かうシールド機の目標線を算出
し、これに基づいて所定距離シールド機を掘進させた場
合のシールドジャッキの目標最終ストローク差及びシー
ルド機のピッチング量を演算した後、前リング掘進時の
最終状態と同じシールドジャッキを使用して掘進を開始
し、シールド機が所定量進む毎にストローク差及びピッ
チング量を検出して、この検出されたストローク差及び
ピッチング量から前記所定距離掘進後の最終ストローク
差及びピッチング量を演算予測し、予測最終ストローク
差及びピッチング量と目標最終ストローク差及びピッチ
ング量の差が許容範囲以上のときはシールドジャッキの
使用箇所の変更を行い、これによりシールド機が所定距
離掘進した際に目標最終ストローク差及びピッチング量
を確保させるように制御することでシールド機を目標線
通りに進めることを特徴とするシールド機の姿勢制御方
法。